两轮自平衡小车设计报告.docx
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两轮自平衡小车设计报告
沈阳工业大学
信息科学与工程学院第五届创新杯大学生电子设计竞赛
双轮自平衡小车
摘要:
本作品采用STM32单片机作为主控制器，用一个陀螺仪传感器来检测车的状态，通过TB6612控制小车两个电机，来使小车保持平衡状态，通过手机蓝牙与小车上蓝牙模块连接以控制小车运行状态。
关键字：
智能小车；单片机；陀螺仪；蓝牙模块。
一、系统完成的功能
根据老师的指导要求，在规定的时间内，由团队合作完成两轮自平衡小车的制作，使小车在一定时间内能够自助站立并且自由行走，以及原地转圈，上坡和
送高处跃下站立。
二、系统总体设计原理框架图
编码器
图2.1系统总体框图
3.1.STM32单片机简介（stm32rbt6）
主控模块的STM32单片机是控制器的核心部分。
该单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，它的内核采用ARM
公司最新生产的Cortex—M3架构，最高工作频率可达72MHz256K的程序存储空间、48K的RAM8个定时器/计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART一个USB一个CAN两个和一个SDIO,并集成有3个ADC和一个DAC具有80个I/0端口。
STM32单片机要求2.0〜3.6V的操作电压（VDD）,本设计采用5.0V电源通过移动电源给单片机供电。
3.2.陀螺仪传感器
陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。
本设计选用MPU-6050°MPU-60X0是全球首例9轴运动处理传感器。
它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，
以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用I2C接口连接一
个第三方的数字传感器，比如磁力计。
扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9
轴的信号（SPI接口仅在MPU-6000可用）。
MPU-60X0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器MPU-60X0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的
ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。
为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为土250，±500，±1000，±2000°/秒
（dps），加速度计可测范围为土2，±4，±8，±16g。
一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。
和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口或1MHz的
SPI接口（SPI仅MPU-6000可用）。
对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用20MHz的SPI。
另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有土1%变
动的振荡器。
芯片尺寸43430.9mm，采用QFN封装（无引线方形封装），可承受最大
10000g的冲击，并有可编程的低通滤波器。
关于电源，MPU-60X0可支持VDD范围2.5V±5%，3.0V±5%，或3.3V±5%。
另外MPU-6050还有一个VLOGIC引脚，用来为I2C输出提供逻辑电平。
VLOGIC电压可取1.8±5%或者VDD。
图3.2.1陀螺仪外观图
33电机驱动
3.3.1.TB6612
由于TB6612相对于传统的L298N效率上提高很多，体积上也大幅度减少，在额定范围内，芯片基本不发热，所以我们设计的时候选择了这款芯片。
图3.3.1TB6612外观图
3.3.2.PWM原理
PWM即脉冲宽度调制，它是指将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率的方法。
在PWM区动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
因此，PWh又被称为“开关驱动装置”。
如图7所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。
只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
图332PWM波形图
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax设占空比为D=t/T,则电机的平均速度为：
Vd=VmaX2D
（1）式中：
Vd表示电机的平均速度；Vmax表示电机全通电时的速度（最大）；D=t/T表示占空比。
由公式
（1）可见，当改变占空比D时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。
3.4蓝牙模块
蓝牙模块可以让原来使用串口的设备摆脱线缆的束缚在10米范围内实现无
线串口通信。
使用该模块无需了解复杂的蓝牙底层协议，只要简单的几个步骤即可享受到无线通信的便捷。
蓝牙透传模块只有4个AT指令，分别是测试通讯，
改名称，改波特率，改配对密码，AT指令必须从TXD,RXD信号脚设置，不能通过蓝牙信道设置。
发送AT指令的设备可以是各种类型的MCU比如51，avr，pic，msp43Qarm等），也可以是电脑通过串口（PC串口接MAX232^后或者USB转串口）发送。
由于HC-06有低功耗，低成本的特性，所以我们选择了这款芯片。
图3.4蓝牙模块外观图
3.5编码器
编码器是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。
编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。
按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按
照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。
增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。
绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
四、软件设计
软件部分实现的主要功能是：
传感器的数据采集、PWM信号的输出、车模控
制：
包括直立控制，速度控制。
软件流程如下：
初始化完成以后，首先进入车模直立检测子程序。
该程序通过读取陀螺仪传感器的数值判断车模是否处于直立状态。
在中断程序中不断的读取编码器数据，获取车模状态信息，然后通过读取的数据控制车模。
1■蓝牙控制程序：
if（uart_receive==OxOO）
Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0;//刹车
if（uart_receive==OxO1）
Flag_Qian=1,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=0;//前进
if（uart_receive==0x05）
Flag_Qian=0,Flag_Hou=1,Flag_Left=0,Flag_Right=0;〃后退
elseif（uart_receive==0x02||uart_receive==0x03||uart_receive==0x04）
Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=0,Flag_Right=1;//右转弯
elseif（uart_receive==0x06||uart_receive==0x07||uart_receive==0x08）
Flag_Qian=0,Flag_Hou=0,Flag_Left=1,Flag_Right=0;〃左转弯
2■控制程序:
比例（Ph积分（小微分｛D）控制算法各有作用：
出例,反应系统的基本（当前）偏差聆系数大「可以加快调节，减小俣差,但过大的比側使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；
积分,反应系统的累计偏差’使系统消除稳态误差,提高无差度.因为有误望,积分调节就谨亍直至无俣羞；
微分*反映系统偏差信号的变化率球卜的・小貝有價见也能预见偏差变化的趋勢'产生超前的控制作用，在偏羞还没有形成之前，己被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。
但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。
积分和微分都不能单独起作用，必須与比例控制配合。
直立PD控制：
floatbalance（floatangle,floatGyro）
{
staticfloatBias,angle_i;
floatbalanee;
Bias=angle-5;
angle_i+=angle;
balance=p*Bias+d*Gyro+i*angle_i;
if（Turn_Off（Angle_Balance）==1）angle_i=0;
returnbalanee;
}
速度PI控制：
intvelocity©ntencoder_left,intencoder_right）
{
staticintVelocity,Encoder_Least=0,Encoder,Movement;
staticlongEncoder」ntegral;
if（1==Flag_Qian）Movement=5;
elseif（1==Flag_Hou）Movement=-5;
elseMovement=0;
Encoder_Least=（encoder_left*0.5+encoder_right*0.5）*0.9;
Encoder*=0.7;
Encoder+=Encoder_Least*0.3;
Encoder_Integral+=Encoder;
Encoder_Integral=Encoder」ntegral-Movement;
if（Encoder_Integral>15000）Encoder_Integral=15000;
if（Encoder」ntegral<-15000）Encoder_Integral=-15000;
if（Encoder==0）Encoder_Integral=Encoder」ntegral*0.9965;if（Encoder==0）Encoder_Integral=0;
Velocity=Encoder*vp+Encoder」ntegral*vi;
if（Turn_Off（Angle_Balance）==1）Encoder_Integral=0;
returnVelocity;
}
voidPID_INIT（）
{
p=60;
d=0.15;
i=0;
vp=36;
vi=1.2;
五、制作困难
本作品制作过程中遇到了很多困难。
在硬件方面，STM32烧坏好几个，造
成了经济损失，后来经过检查电路和改进，能够稳定安全运行。
设计初期我们试验L298N作为电机驱动，发现反映过慢，后来改用TB6612，效果非常好。
PID参数的调试花费了大量的时间。
六■总结
自平衡小车制作过程中，我们接触到了很多之前没有接触的理论知识。
其中包括：
陀螺仪传感器使用获得正确偏角的方法，速度PID控制算法的应用。
软
件的编写和小车的焊接熟练了我们的编程技能和动手能力。
很多知之甚少的东西通过这次课程设计都得到了一定的接触，充实了我们的知识领域并激发了我们队电子设计的浓厚兴趣。
在这里，我们要感谢老师给予的这次宝贵机会，并感谢老师的指导与帮助。
比赛时小车表现，我们非常满意，我们多日的努力得到了回报，感到非常欣慰和开心！
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